Инновации в переработке ягодного сырья с использованием технологии осмотического обезвоживания на примере земляники садовой

Обезвоживание ягод, фруктов, плодов и овощей является одним из самых устаревших методов сохранения пищевых продуктов. На сегодняшний день большое внимание уделяется новым технологиям, способам и методам переработки растительного сырья с целью сохранения первоначальной питательной ценности и органолептических свойств [1–3].

Осмотическое обезвоживание является наиболее популярным методом предварительной обработки пищевых материалов, из-за того, что приводит к улучшению качества конечных продуктов [3–9]. Данный процесс имеет потенциальные преимущества для перерабатывающей пищевой промышленности, чтобы сохранить продукты растительного происхождения в надлежащем качестве для потребителя [10–12].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В современный период, осмотическое обезвоживание является важным промежуточным этапом предварительной обработки или технологии, которая получила большое внимание в области сохранении плодоовощного и плодовоягодного сырья, из-за снижения потребления энергии и улучшения качества пищевых продуктов. Особенно широко применяется для сохранения фруктов и плодов так как происходят значительные потери воды, накопление твердых веществ в следствии чего снижается активность воды и риск развития микробиологических факторов [11, 12].

Осмотическое обезвоживание является одним из самых важных в консервации и имеет ряд преимуществ по вкусовым качествам, структуре, цвету и препятствует потемнению ферментов, а также уменьшает затраты на электроэнергию [5, 7, 9].

Сущность осмотического обезвоживания заключается в погружение растительного сырья в концентрированные сахара (осмотический агент), которые постепенно обезвоживают пищевой продукт [6, 8]. Следовательно, в данном процессе поток воды из плодово-ягодного сырья переходит в раствор, где вместе с водой некоторые минералы, витамины, органические кислоты и т. д. также двигаются в направлении решения, а сахара мигрируют в направлении материала (рисунок 1) [13].

Рисунок 1. Перенос массы при осмотическом обезвоживании [1, 3–6]

Figure 1. Mass transfer during osmotic dehydration [1, 3–6]

В качестве осмотического агента для осмотического обезвоживания используются различные виды растворенных веществ, такие как фруктоза, сахароза, глюкоза, кукурузный, кленовый сиропы, инвертный сахар, лактоза, мальтоза, мед [3–8, 13, 15]. Низкие сахариды молярной массы (сахароза, глюкоза и фруктоза) облегчают усвоение сахара за счет высокой диффузии молекул. В результате научных исследований было доказано, что применение данного метода, конечный продукт получается высокого качества из-за органолептического сходства между натуральными и обезвоженными продуктами растительного происхождения [5, 7, 9].

Данный метод консервации осмотического обезвоживания является безопасным продуктом в течении длительного периода времени хранения и экономически выгодным [4, 8, 12, 14] в своих научных исследованиях утверждают, что предварительное осмотическое обезвоживание перед дальнейшей переработкой плодовоягодного сырья является наиболее предпочтительным по сравнению с другими методами так как в большей степени, сохраняются цвет, аромат, целостность, питательные компоненты и улучшаются вкусовые качества готового продукта [14, 17].

Целью работы – разработка комплексного процесса переработки ягодного сырья на примере земляники садовой с использованием осмотического обезвоживания гипертоническим раствором сахарозы с последующим конвективным методом высушивания и изучение товароведных качеств готового продукта.

Материалы и методы

Для подготовки объекта комплексного процесса переработки были взяты свежие ягоды земляники садовой сорта «Коррадо», в качестве осмотического агента использовали гипертонический раствор сахарозы: дистиллированная вода и сахар-песок. Методами исследований являлось определение физико-химического состава: активность воды, сухое вещество, потеря влаги, массы, витаминов С, β -каротин, РР, белков, жиров, углеводов, органических кислот, энергетической ценности, калия и кальция.

Результаты и обсуждение

На первом этапе научных исследований нами были изучены физико-химические изменения осмо-обезвоженных ягод земляники садовой. Ягоды погружали в гипертонический раствор сахарозы и выдерживали в течении определенного времени с регулярным взвешиванием определяя изменение массы, сухого вещества и потерю влаги.

На рисунке 2 показана кинетика изменения массы (WR, % от начальной массы) и потеря влаги (WL) земляники садовой во время осмотического обезвоживания в гипертоническом растворе сахарозы.

В результате проведенных исследований выявлено, что процесс обезвоживания у исследуемых ягод прогрессирует поэтапно: сначала гипертонический раствор проникает сквозь структуру кожицы, а затем уже и в мякоть.

Сущность обезвоживания заключается в том, что за счет градиента концентраций сахара в ягодах и агенте возникает осмотическое давление, под влиянием которого влага из клеток плодовой ткани через полупроницаемые стенки мигрирует в окружающий раствор. В системе имеется и встречный поток – сахароза диффундирует из концентрированного сиропа в плодово-ягодную ткань, замещая часть удаленной влаги [13, 16].

Как видно из гистограммы, изменение массы во время обезвоживания у ягод земляники садовой начинается сразу после погружения в гипертонический раствор сахарозы и протекает наиболее интенсивно в течение первых четырех часов, после этого процесс замедляется, что подтверждается увеличением твердого усиления. Установлено, что уменьшение массы в осмо-обезвоженных ягод земляники садовой в течении шести часов составило до 23%, потеря влаги до 26%, соответственно.

Рисунок 2. Динамика изменения массы (WR, %) и влаги (WL) от продолжительности осмотического обезвоживания (время, ч) земляники садовой

Figure 2. Dynamics of changes in weight (WR, %) and moisture (WL) from the duration of osmotic dehydration (time, h) of strawberries

Для более точности и достоверности полученных данных нами была произведена методология поверхностного отклика (RSM) (таблица 1) по получению твердого усиления (SG), потери влаги (WL) и снижению массы (WR) [10, 15, 17, 18]. Методологию поверхностного отклика определяли в осмо-обезвоженных ягодах земляники садовой по формулам:

WR ( % ) = Мн Мк x100, Мн

Мt1Mt2

SG ( % ) =         x100 ,

Мн

WL ( % ) = SG + WR ,

где Mн – начальная масса образца, г; Mк – конечная масса образца после осмотического обезвоживания, г; Mt1 – начальная масса твердых веществ в образце, г; Mt2 – конечная масса твердых веществ в образце после осмотического обезвоживания, г; W1 – начальная влажность образца, г; W2 – конечная влажность образца после обезвоживания, г; Wн – исходное содержание влаги в образце, г.

Потеря влаги (WL) выражается как чистая потеря воды из свежих ягод после осмотического обезвоживания на основе исходной массы образца. Твердое усиление (SG) определяется как чистое поглощение твердого тела образцами ягод, основанный на исходном весе образцов [15, 17, 18]:

Таблица 1. Методология поверхностного отклика в осмо-обезвоженных плодах и ягодах

Table 1.

Methodology of surface response in osmodehydrated fruits and berries

Наименование Name	DM (%)	WL (%)	WR (%)	SG (%)	RST
Земляника садовая Strawberry	26,03± 0,08	25,95± 0,15	22,31± 0,14	3,64± 0,01	1,83

Расчет индекса концентрации (RST) рассчитывали [15, 17, 18] следующим образом:

DMt RST = ----,

DM о

где DM т – содержание сухого вещества в осмо-обезвоженных ягодах, %; DM o – содержание сухого вещества в свежих ягодах, %.

Изменение твердого усиления (рисунок 3) после осмотического обезвоживания имеет также положительную динамику, в результате получено, что осмо-обезвоженные ягоды уплотнились примерно на 4%.

Время, ч/ Time, h

Рисунок 3. Динамика изменения твердого усиления (SG) осмо-обезвоженной земляники садовой

Figure 3. Dynamics of change in solid gain (SG) of osmo-dehydrated strawberry

В результате полученных данных изменения содержания сухого вещества, потери влаги, снижение веса и увеличения содержания твердых веществ в ягодах, подвергнутых осмотическому обезвоживанию гипертоническим раствором сахаразы ягод имеют положительную динамику.

Следующим технологическим этапом наших исследований явилось изучение осмо-обезвоженных ягод гипертоническим раствором сахарозы подверженных процессу высушивания. Осмо-обезвоженные ягоды земляники садовой высушивали конвективным способом при температуре не выше 60 °С.

В результате из полученных данных видно, что испарение влаги осмо-обезвоженных ягод происходит постепенно в течении заданного промежутка времени. Время сушки растительного сырья значительно уменьшилось (в 1,5 раза) за счет меньшего содержания влаги из-за предварительного его обезвоживания гипертоническим раствором.

Полученные данные подтверждаются уравнением линейной парной регрессией и как видно из графика (рисунок 4) существует хорошее согласие построенной регрессии с исходными данными и сильная прямая зависимость, описываемая уравнениями представленные в таблице 2.

Рисунок 4. Корреляционно-регрессионная зависимость от потери влажности в процессе продолжительности осмотического дегидратирования земляники садовой Figure 4. Correlation and regression dependence on the loss of humidity during the duration of osmotic dehydration of strawberries

В результате статистической обработки получены следующие математические зависимости с величиной достоверности аппроксимации R ²< 1.

Таблица 2.

Регрессионный анализ осмо-обезвоженных сушеных ягод земляники садовой

Table 2.

Regression analysis of osmo-dehydrated dried strawberries

Наименование Name	у	0 ≤ R2 ≤ 1
Земляника садовая Strawberry	-4,7982 х + 67,891	0 ≤ 0,9763 ≤ 1

Доказано, чем ближе R2 к единице, тем лучше регрессия аппроксимирует эмпирические данные. Следовательно, выбор температурного режима имеет линейную зависимость от потери влажности во времени сушки осмо-обезвоженных ягод земляники садовой.

Изучение активности воды в осмо-обезвоженной дегидратированной землянике садовой

В сушеной осмо-обезвоженной землянике садовой определяли активность воды. Исходя из научных исследований активность воды является важным критерием способности воды, которая содержится в продукте, поддерживает рост микроорганизмов или принимает участие в химических реакциях. Содержание активности воды в продуктах, таких как сухофрукты, определяет их длительный срок хранения, поскольку очень малое содержание воды в них, ограничивает доступную для роста микроорганизмов среду. А рост микроорганизмов, как известно, вызывает порчу продуктов и представляет угрозу здоровью потребителей [17–19].

Для большинства бактерий и плесеней предельное значение активности воды составляет не ниже 0,90–0,99, которое обеспечивает их хорошее развитие. А как известно свежие плоды и ягоды относятся к продуктам с высокой промежуточной влажностью и а w = 1,0 – 0,9, в следствии чего подвержены быстрой порчи. Также известно, что дрожи и плесени менее чувствительны к низкому содержанию влаги и благоприятной средой их развития, когда значение активности воды выше 0,6, процесс порчи значительно замедляется, когда значение а w = 0,2 – 0,4 [6, 11, 15, 22, 23].

В таблице 3 представлены данные по активности воды в осмо-обезвоженных сушеных ягодах земляники садовой.

Таблица 3.

Активность воды (аw) в осмо-обезвоженных сушеных ягодах земляники садовой

Table 3.

Water activity (aw) in osmo-dehydrated dried strawberries

Наименование Name	WL, %	а w	t, °С
Земляника садовая Strawberry	18,18±0,14	0,578±0,02	25,3

Из табличных данных видно, что показатель активности воды в осмо-обезвоженных сушеных ягодах земляники садовой составило 0,578 при температуре 25,3 °С и влажности 18,2%.

Следовательно, активность воды в осмо-дегидратированных ягодах имеет значение 0,6>, что говорит о положительном результате. Полученный осмо-дегидратированный продукт можно отнести к продукту с низкой влажностью.

В результате концепция активности воды позволила оценить степень подверженности осмо-дегидратированных продуктов микробиологической и другой порче, контролировать функционально-технологические показатели в продукте и, в частности, показатель a w , а также прогнозировать способность к хранению, что позволит создать стабильность полученного нового переработанного растительного сырья, и точно определить оптимальные условия их хранения.

Товароведные характеристики осмо-обезвоженной дегидратированной земляники садовой

Полученный осмо-дегидратированный продукт подвергался оценки показателей качества по органолептическим свойствам (таблица 4).

По органолептическим показателями осмо-дегидратированные ягоды имеют правильную форму без повреждения кожицы, вкус и аромат соответствуют данному виду ягод, ягоды мягкие, темно-бордовые.

В осмо-дегидратированных ягодах земляники садовой изучали динамику изменения химического состава и пищевой ценности в сравнении с эталонными (свежие) ягодами (таблица 5). По полученным данным энергетическая ценность осмо-дегидратированных ягод земляники садовой увеличилась на 12,7% это объясняется тем, что содержание углеводного состава после осмотического обезвоживания ягод гипертоническим раствором сахарозы увеличилось, а также за счет испарения влаги во время сушки.

В результате установлено, что массовая доля сахаров в среднем меньше на 30% чем в цукатах, что подтверждается о положительном результате.

Существенных изменений содержания белков и жиров в осмо-дегидратированной продукции не выявлено, кислотность уменьшились на 38%. Снижение кислотности обусловлено увеличением суммы сахаров, что придает готовой ягодной продукции более выраженные вкусовые качества.

Изменение витаминного состава и макроэлементов в осмо-дегидратированных ягодах имеют положительную динамику. В результате витамины лучше сохранились, потери витамина С составили всего 3,6%, β -каротина 0,2%, витамина РР 4,6% в отличие от эталонной продукции.

Содержание калия сохранилось до 95,4%, кальция до 97,7% в зависимости от эталонной продукции. Потери макроэлементов в зависимости от свежей продукции были незначительными от 2,3–4,6%.

Таблица 4.

Органолептические показатели осмо-дегидратированных ягод земляники садовой

Table 4.

Organoleptic parameters of osmo-dehydrated strawberries

Показатель | Indicator	Характеристика | Characteristic
Внешний вид и форма Appearance and shape	Целые, правильной формы с неповрежденной кожицей Whole, regular shape with intact skin
Вкус и аромат | Taste and aroma	Свойственен данному виду без постороннего запаха и вкуса It is characteristic of this species without foreign smell and taste
Цвет | Colour	Темно-бордовый | Maroon
Консистенция | Consistency	Средней мягкости при надавливании медленно восстанавливаются Medium softness when pressed slowly recover

Таблица 5.

Химический состав и пищевая ценность осмо-обезвоженных сушеных ягод

Table 5.

Chemical composition and nutritional value of osmo-dehydrated dried berries

Показатель Indicator	Содержание химического состава Chemical composition content
Белки, г | Proteins, g	0,82 ± 0,02
Жиры, г | Fats, g	0,33 ± 0,03
Углеводы, г | Carbohydrates, g	73,42 ± 0,20
Органические кислоты, г | Organic acids, g	0,97 ± 0,18
Сухие вещества, г | Dry substances, g	81,62 ± 0,01
Энергетическая ценность, ккал/кДж | Energy value, kcal/kJ |	300/1256
Витамин С, мг% | Vitamin C, mg%	82,32 ± 0,16
β -каротин, мкг | ^-carotene, mcg	5,12 ± 0,06
Витамины РР, мг | Vitamins PP, mg	0,44 ± 0,02
Калий К, мг | Potassium K, mg	153,26 ± 0,24
Кальций Са, мг | Calcium Ca, mg	39,31 ± 0,11

Заключение

Подводя итог научным исследованиям установлено, что при осмотическом обезвоживании в гипертоническом растворе сахарозы ягод земляники садовой в течении задонного времени изменение массы достигает 23% и потеря влаги составляет до 26%, а усиление твердого вещества увеличивается на 4%. Время высушивания конвективным способом осмо-обезвоженных ягод при температуре не выше 60 °С в 2–2,5 раза меньше чем при использовании традиционной технологии переработки растительного сырья без осмоса. В результате активность воды в осмо-дегидратированных ягодах имеет значение 0,578 и можно отнести к продукту с низкой влажностью.

По органолептическим показателями осмо-дегидратированные ягоды соответствуют требованиям, предъявляемым к нормативным правовым актам. Энергетическая ценность увеличилась на 12,7% за счет увеличение углеводного состава и испарения влаги во время сушки и составила 300/1256 ккал/кДж. Положительная динамика прослеживается и в сохранности витаминной ценности и макроэлементов в осмо-дегидратированной продукции с незначительными потерями до 5%. Кислотность снизилась на 38% за счет увеличения суммы сахаров, что придает готовой ягодной продукции более выраженные вкусовые качества.

Следовательно, подтверждается положительный эффект комплексной технологии переработки растительного сырья с применением предварительного обезвоживания гипертоническим раствором сахарозы с последующей конвективной сушкой.